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本文聚焦脑卒中后上肢功能康复，介绍了脑机接口控制功能性电刺激（BCI-FES）技术。阐述其原理、作用机制，回顾临床应用效果，分析面临的挑战与未来前景，为脑卒中康复治疗提供新思路，助力推动 BCI-FES 技术临床应用。
1. BCI-FES 介绍
1.1. BCI
脑机接口（BCI）技术是一种先进的人机交互方式，它不依赖传统输出渠道，通过传感器收集人体的电生理信号或肢体运动状态信号，分析大脑生物电信号，在大脑与计算机等电子设备间建立全新的通信和控制通道，让人能直接用意念控制设备。
BCI 设备主要由用于捕捉神经信号的传感器、将信号转化为反馈模式的计算机，以及根据用户大脑活动提供反馈的装置组成。根据信号采集方式，BCI 系统可分为非侵入性和侵入性两类。非侵入性 BCI 通过头皮直接采集脑信号，脑电图（EEG）最为常用，它能捕捉感觉运动周期，反映大脑活动，因其成本低、无创、方便等优势，在临床应用中备受青睐，可实现对大脑意图的实时解码。而侵入性 BCI 则需将设备植入大脑皮层，如皮层脑电图（ECoG）电极、局部场电位（LFP）传感器等，虽然能获取更高质量的信号，具备更好的信噪比、通信速度和时空分辨率，但存在手术风险和并发症，如出血、感染，还可能出现信号随时间退化的问题，影响 BCI 解码的稳定性和可靠性。
1.2. 功能性电刺激（FES）的描述
功能性电刺激（FES）是一种治疗技术，它通过电极向目标肌肉或神经传递低频脉冲电流，促使神经纤维去极化，产生动作电位，以此增强或恢复神经功能受损者的运动能力。FES 的参数，像波形、频率、脉冲宽度和电流强度等都能精确调整，以满足不同的治疗需求。它依靠恒流源模块、特殊电路设计以及微控制器的精准控制来工作，微控制器借助定时器和数模转换器，通过预设算法或实时反馈机制调整电流输出。在临床应用中，常用的电极有粘性电极和碳电极。
根据患者反馈和操作模式，FES 可分为 “开环 FES” 和 “闭环 FES”。“开环 FES” 通常由治疗师按预定模式手动控制，不依赖患者反馈来启动肌肉激活，周期性神经肌肉刺激（NMES）就属于这种类型，常用于增强肌肉力量、改善关节活动度和减轻患者痉挛。“闭环 FES” 则需要利用患者自身的生理信号来调节电刺激，从而更精准地促进功能恢复，常见的有对侧控制 FES、肌电图 - 功能性电刺激（EMG-FES）和脑机接口 - 功能性电刺激（BCI-FES）等，它们分别将来自未受影响肢体的运动信号、受影响侧的肌电信号和脑电图信号转化为电刺激，辅助运动控制。不同的 FES 系统各有优劣，选择时需根据患者具体需求，比如 BCI-FES 适用于弛缓性瘫痪患者，而 EMG-FES 仅适用于有残余肌肉激活能力的患者。
1.3. 闭合感觉运动反馈系统
FES 与 BCI 相结合，构建了一个闭环的脑 - 肢体 - 脑回路。BCI 从人体采集电生理信号，传输到信号调理单元进行预处理，如滤波、下采样等，减少信号干扰，提高信噪比。处理后的信号再传至控制命令生成器，控制命令生成器通过独特的分类识别方法，产生 FES 的时空编码参数，引发肌肉收缩，帮助神经损伤导致运动障碍的患者完成功能任务，提升运动能力。
传统康复主要依靠主动和被动训练促进脑卒中患者运动功能恢复，但这种方式患者主动参与度不足。BCI-FES 系统则通过提供个性化、精确的闭环感觉运动反馈，融入多模态感觉反馈机制，优化了康复过程。当患者成功完成任务时，BCI 系统会通过视觉、触觉、听觉等多种感觉方式给予肯定反馈，替代或增强人体固有的神经肌肉反应，强化正确行为和认知模式，显著提升患者的自主运动控制能力，为神经康复提供了更有效的方案。
2. BCI-FES 对脑卒中后上肢功能障碍的作用机制
2.1. BCI 机制
用于改善脑卒中患者运动功能的 BCI 主要有辅助性 BCI 和康复性 BCI。辅助性 BCI 通过帮助患者控制外部设备，绕过受损神经通路，提供持续、永久的解决方案。康复性 BCI 则致力于重建受损的神经连接，通过促进神经可塑性恢复受影响的功能，它与现代康复理念相符，能显著促进患者运动恢复，带来持久的功能改善，是脑卒中康复中常用的 BCI 类型。
2.1.1. 突触可塑性
赫布可塑性是 BCI 发挥作用的基础。赫布学习规则指出，当突触前和突触后神经元的活动在时间上相关联时，突触传递效能会增强，这种增强主要依赖 N - 甲基 - D - 天冬氨酸受体的激活，促使钙离子流入细胞，启动一系列信号通路，增强突触效能。中枢神经系统（CNS）的突触传递效率会因活动产生持久改变，同时，脑源性神经营养因子能促进神经元的存活、发育和分化，进一步增强突触可塑性。
2.1.2. 稳态可塑性
稳态可塑性指大脑在外界干扰下，通过调节神经元的内在兴奋性或突触强度，维持神经网络完整性和功能的能力。在学习过程中，稳定的反馈训练能促使大脑建立更稳定的神经活动模式，增强 BCI 系统的稳定性和适应性。而且，随着 BCI 系统持续引导典型运动、强化神经网络，大脑会形成更稳定的神经活动模式，在训练结束后仍能持续较长时间，进一步巩固神经可塑性，强化 “新的神经活动模式”。
2.1.3. 神经振荡
神经振荡在自然运动学习中至关重要，它通过同步神经活动，促进信息的高效传输与整合。大脑区域间同步的神经元活动能更好地整合不同信息，产生协调的运动指令。在脑机接口中，神经振荡具有自主调节功能，受试者可自主调节运动皮层的振荡动态，实现实时调整。研究发现，上调受损初级或辅助运动区域的 μ 和 β 频段的皮层活动，有助于改善上肢运动功能。利用神经反馈技术引发特定刺激的相干反应模式，能显著提高后续测试中的行为表现，产生的相干振荡活动对促进皮层重塑十分关键。
2.1.4. 激活和识别脑区
对健康人进行 BCI 训练时，功能近红外光谱技术（fNIRS）检测到整个感觉运动皮层的漫射氧合血红蛋白增加，且逐渐向任务特异性局部激活转变，脑电图（EEG）中 β 频段的事件相关去同步化也增加，这表明 BCI 能有效刺激相关的运动感觉脑区。
镜像神经元在人类执行或观察特定动作时会激活神经网络，它们大多位于特定脑区，其 “观察 - 执行匹配机制” 对运动想象、学习以及动作的模仿和理解起着关键作用。BCI 技术常基于神经映射特性，运用镜像神经元理论开发运动想象、运动观察和运动尝试执行等范式，这些范式能有效激活感觉运动皮层，识别运动意图，促进神经网络重组，提高信息传递效率。
BCI 训练对亚急性期和慢性期脑卒中患者都有效果，且与神经可塑性以及功能脑区的有效连接密切相关。脑卒中后的前六个月是决定恢复轨迹的关键时期，BCI 可作为早期干预手段，通过监测大脑活动评估患者神经状况，为后续治疗提供重要参考。研究表明，慢性期脑卒中患者通过 BCI 训练，如增加学习和程序性记忆等方式，有可能实现功能增强，引起显著的皮层重构，获得较好的预后结果。
2.2. FES 机制
BCI-FES 的康复效果优于 BCI 与其他设备结合的方式，这可能得益于 FES 独特的作用机制。
2.2.1. 增强病变部位灌注
FES 能促进肌肉主动收缩，提供丰富的本体感觉和躯体感觉反馈，同时增加感觉运动脑区的灌注。利用功能磁共振成像（fMRI）评估 FES 和自主收缩诱导的大脑活动发现，FES 能显著增强对应病变部位的感觉运动皮层灌注，这表明 FES 可能通过改善微循环、提高局部代谢需求，对局部脑血流量起到支持作用。
2.2.2. 增强皮层兴奋性
FES 通过反复的神经肌肉刺激，增强皮层网络的兴奋性，改善突触效能，促进神经元之间的连接和信号传递，增强神经元同步活动。FES 可能通过影响谷氨酸和 γ - 氨基丁酸（GABA）等神经递质的释放来增强皮层兴奋性。研究显示，短暂的低频电刺激能促进损伤部位轴突生长，刺激内源性生长因子表达，加速轴突生长和靶神经支配。动物和人体研究均表明，低频电刺激有助于促进功能恢复，如对大鼠和人体进行快速（1 小时）、低频（20Hz）的损伤部位附近电刺激，能显著促进轴突发育和神经功能恢复。
2.2.3. 激活脊髓反射
对脊髓反射兴奋性（如 H 反射）的研究发现，电刺激会使脊髓网络产生短暂和持久的变化。FES 在强度超过运动阈值时，通过传出通路引起肌肉强直性收缩，逆行激活 Renshaw 细胞，抑制刺激后的脊髓反射兴奋性，降低牵张反射的兴奋性，缓解神经功能缺陷患者的肌肉僵硬。刺激混合神经束的电脉冲会募集传出运动轴突，引发肌肉收缩，并通过肌梭拉伸反馈激活传入感觉神经，经运动轴突逆行传导，影响刺激后的短期和长期脊髓反射兴奋性。
多项研究表明，在脑卒中的急性期和亚急性期使用 FES，能显著促进肢体功能恢复。急性期神经功能损伤严重，为避免过度刺激受损神经，通常采用低强度、短时间的干预。亚急性期患者病情相对稳定，神经可塑性较强，应用 FES 能有效提升患者肢体运动功能和自理能力。慢性期患者神经功能恢复速度较慢，但仍有改善空间，目前 FES 可作为长期康复手段，根据患者具体情况进行调整。
2.3. BCI-FES 协同作用机制
2.3.1. 增强神经可塑性
将 FES 康复设备连接到外部系统，在治疗过程中能增加运动皮层的激活。BCI 系统基于患者执行目标运动活动的表现进行工作，在脑卒中康复过程中能更好地促使大脑参与。人工产生的信号，如外周传入冲动，可与人体自身产生的信号相互作用，引发初级运动皮层（M1）的塑性变化。这一发现对人工诱导皮层可塑性的系统（如神经调节）具有重要意义，尤其是对运动功能障碍患者。
BCI-FES 系统训练能强化皮质脊髓束（CST）投射，增强赫布可塑性，刺激皮层可塑性。CST 是连接大脑皮层和脊髓的主要直接通路，其完整性对精细运动技能的恢复至关重要，脑卒中后运动功能恢复的关键就在于 CST 的重组。脑卒中患者的运动功能恢复通常有两种轨迹，部分患者能恢复约 70% 的初始运动损失，而部分患者恢复效果不佳。恢复较差的患者 CST 损伤往往更严重。对慢性中重度损伤的脑卒中患者进行 5 周的 BCI-FES 干预发现，该治疗能改善原本不符合比例恢复标准的慢性患者的 CST 预测。运动诱发电位（MEP）可定量衡量皮质脊髓兴奋性，研究发现训练后 MEP 幅度显著增加，且干预结束 30 分钟后仍保持较高水平。精确选择 BCI-FES 电极放置位置，有助于实现皮质脊髓投射的空间定位，增强目标皮质脊髓束投射的完整性，促进神经运动恢复。
2.3.2. 神经网络功能连接
健康人的主要运动网络包括初级运动皮层（M1）、初级运动区（PMC）和辅助运动区（SMA），这些区域对运动调节至关重要。自愿运动时，运动冲动起源于背侧前扣带回皮层，随后投射到 SMA、PMC 和 M1。脑卒中会损害运动神经元网络，导致功能异常，但大脑可通过重组皮层区域的运动表征来适应。
临床试验表明，脑卒中后上肢功能恢复可能涉及双侧大脑多个运动和感觉区域的协调激活，同时剩余神经通路会代偿受损区域。功能神经网络连接可发生在病变同侧和对侧，通过替代通路和结构促进运动功能康复。
在健康人进行意向运动规划和执行时，对侧感觉运动皮层的 μ 节律会失活减弱，而与运动指令输出和控制相关的 β 节律时间相关去极化会增强。对慢性中重度损伤的脑卒中患者进行 BCI-FES 干预后发现，受损半球脑区之间增强的 μ 和 β 频段相互作用与运动表现和恢复改善相关。同侧半球 PMC - M1 的功能连接与运动功能呈正相关。PMC 整合来自后顶叶皮层（PPC）、背外侧前额叶皮层（DLPFC）和 SMA 的感觉和认知输入，将运动命令传递给 M1，并拥有部分绕过 M1 的直接皮质脊髓投射，以促进运动。增强同侧 PMC 和 M1 之间的兴奋性连接有助于运动恢复。研究还发现，在实际手指运动时，M1 和 PMC 的活动会从对侧半球转移到同侧半球。对慢性脑卒中患者的临床实验表明，BCI-FES 干预后，对侧和同侧 M1、PMC 的半球间和半球内血氧水平依赖（BOLD）活动耦合显著增加，且对侧半球的连接更明显。研究发现，BCI-FES 训练时皮层激活最初较为弥散，之后集中在受损半球的运动或邻近皮层区域，双侧运动区域激活增强，完整半球的激活强度更高。大脑半球内的神经重塑和半球间的功能连接对脑卒中后运动功能恢复至关重要，对侧 PMC 与同侧 M1 之间连接的增加与运动恢复改善显著相关，表明对侧 PMC 在功能代偿中起关键作用。此外，M1 对侧病变会对同侧病变产生正向调节，促进运动功能恢复。BCI-FES 治疗过程中患者同侧和对侧大脑半球的神经元重构以及半球间耦合现象，与脑卒中后的运动障碍及治疗后的改善密切相关。
2.3.3. 建立皮层 - 肌肉连接
运动恢复需要运动网络的结构和功能重组，运动皮层的活动与功能性电刺激产生的感觉反馈相互作用，以恢复皮层 - 肌肉连接。脑卒中早期神经可塑性增强，有助于进一步改善皮层 - 肌肉功能连接和运动恢复。研究观察到，BCI-FES 干预后，对侧运动皮层的 MEP 升高、β 振荡功率增强、皮层 - 肌肉相干性改善，这些变化与运动恢复一致，即当动作与对应预期运动的运动皮层活动协调时，能促进脑卒中后的运动功能提升。
BCI-FES 系统通过人为连接并将控制信号从大脑传递到损伤周围区域，解决了脑卒中后的功能限制问题。在猴子脑卒中模型研究中发现，通过神经接口重建，可促使受损神经通路在特定皮层功能区域发生适应性改变。研究利用 BCI 开发了人工皮层 - 肌肉连接（ACMC）系统，将大脑活动转化为手部肌肉的电刺激，成功恢复了瘫痪手部的自主控制能力。实验证明，ACMC 为特定皮层功能区域提供了新的肌肉控制方式，并诱导皮层适应性改变，促进脑卒中后受损运动功能的康复。通过操作性条件反射训练个体利用生物反馈调节神经元活动，直接证明了个体对皮层神经元的自主调控能力。研究还表明，恒河猴几乎可利用任何运动皮层神经元来调节肌肉刺激，实现大脑神经元对瘫痪肌肉的直接调控。
2.3.4. 运动激活机制
BCI-FES 的另一种可能机制是运动启动，即通过改变突触连接来增强或减弱长时程增强（LTP）或长时程抑制的效果。在神经康复领域，运动启动有望增强对同时或后续治疗干预的反应。一种名为 “门控” 的方法，通过解除运动皮层神经网络的抑制，可产生类似 LTP 的效应，同时 FES 激活相关肌肉。研究显示，同时进行皮层和外周刺激能有效增强皮质脊髓连接。
目前，BCI-FES 训练主要依赖神经可塑性机制，但它对大脑功能网络连接的具体影响方式仍有待进一步明确。未来研究可借助功能成像和 EEG 技术精确识别大脑功能变化，深入探究其潜在机制，尤其要关注增强受损半球运动区域之间功能连接对康复效果的影响。
3. BCI-FES 在脑卒中后上肢功能障碍康复中的临床应用
BCI-FES 系统通过识别 EEG 信号中的特定模式发挥作用，这些模式通常包括运动想象（MI）、动作观察（AO）和运动执行（ME），识别后的信号可用于激活和控制外部设备，形成完整的闭环系统。
3.1. 基于动作观察的 BCI-FES 临床应用
动作观察（AO）通过观察他人的特定运动，能激活腹侧和背侧 PMC、顶上小叶（SPL）、顶下小叶（IPL）、颞上回（STG）和背外侧前额叶皮层（DLPFC），这些区域构成的镜像神经元网络对运动技能的再学习和获得至关重要，有助于运动动作的发起和执行。
在临床应用中，AO 在康复治疗方面展现出巨大潜力。有研究对 20 例轻度偏瘫的脑卒中患者进行为期六周的治疗，每周五次采用 AO 结合 BCI-FES 疗法，结果显示 BCI 控制的 FES 训练在减少肩关节垂直半脱位和增加活动范围方面比单独使用 FES 更有效，该方法不仅增强了肩关节周围的肌肉群，还缓解了肩关节半脱位引起的疼痛，全面改善了偏瘫患者的后遗症。还有研究将 26 例患者分为接受 FES 疗法和传统物理治疗的对照组，以及接受 AO 结合 BCI-FES 疗法和传统物理治疗的实验组，
